בדרך למהפכה? צוות מתקן ההצתה הלאומי של קליפורניה (NIF) ומשרד האנרגיה של ארה"ב הודיע היום (שלישי) על פריצת דרך של ממש. במשרד הכריזו כי לראשונה הצליחו להפיק בתהליך של היתוך גרעיני יותר אנרגיה מאשר ביצירת ההיתוך. למרות ההצהרה הדרמטית, מדענים מסבירים כי עדיין יש דרך לעבור עד להגיע למצב שבו כל האנרגיה תגיע מהפיתוח החדשני. בפשטות: ההישג האדיר הזה עתיד להוביל בתום התהליך ליצירת מקור אנרגיה חדש ונקי - שלא מזהם כלל את הסביבה.
"אמריקה השיגה הישג מדעי גדול, מפני שהשקענו במחקר. נמשיך לעבוד עבור עתיד ההיתוך הגרעיני", אמרה שרה האנרגיה האמריקנית ג'נט גרנהולם במסיבת עיתונאים. "זהו ציון דרך עבור החוקרים והצוות במתקן הלאומי, שהקדישו את הקריירה שלהם לראות את ההיתוך הופך למציאות, ואבן דרך זו ללא ספק תעורר עוד יותר גילויים".
אראטי פרבקר, היועצת המדעית של נשיא ארצות הברית, הוסיפה כי "מדובר בנס הנדסי שלא יאמן. מעבדת המחקר ניסתה במשך עשורים להשיג את המטרה של ייצור יותר אנרגיה ממה שהוכנס בעזרת הלייזרים. בשבוע שעבר הם סוף סוף הצליחו לעשות זאת, לאחר שדורות רבים של חוקרים ומהנדסים התמודדו עם אתגרים רבים". פתחנו דרך חדשה למקור לאנרגיה נקיה ולמדע הבסיסי".
מה זה בעצם היתוך גרעיני?
ד"ר יובל רוזנברג ממכון דוידסון מסביר כי תהליך ההיתוך הגרעיני הפוך מתהליך הביקוע הגרעיני. בתהליך ההיתוך גרעינים של אטומים קלים מתלכדים יחד ויוצרים גרעיני אטומים כבדים יותר. "זהו התהליך שמתרחש בשמש ובשאר הכוכבים", מסביר ד"ר רוזנברג. "לעומת זאת, כאן בכדור הארץ קשה להשיג את תנאי הלחץ והטמפרטורה שדרושים להיתוך. לכן, עד כה האנושות הצליחה לנצל את אנרגיית ההיתוך הגרעיני כדי לייצור פצצות בלבד. כל היתוך מבוקר דרש השקעה של יותר אנרגיה מזו שהוא ייצר, וכבר עשרות שנים שחלום כורי ההיתוך לייצור חשמל נשאר בגדר חלום".
"כמעט מאה שנים המדענים מנסים לפתור את חידת השמש ולחקות את התהליך שמתרחש בה"
ד"ר נעמה חריט יערי
לפי ד"ר רוזנברג, החוקרים הצליחו ליצור תגובת שרשרת, שבה האנרגיה שהשתחררה בהיתוך אחד הובילה להיתוך של אטומי מימן נוספים וכן הלאה. כדי להתחיל את התהליך המדענים מיקדו לא פחות מ-192 אלומות של הלייזר החזק בעולם על גליל שמכיל מטרה בגודל של אפון. אלומות הלייזר גרמו לחום של יותר משלושה מיליון מעלות צלזיוס, דחסו להאצה של הדלק המימני וגרמו לו היתוך גרעיני מהיר תוך שבריר שנייה.
מהמאמר שפורסם במכון דוידסון עולה כי האתגר הגדול בניסויי ההיתוך הגרעיני הוא לשמור על טמפרטורה גבוהה מספיק לאורך זמן, כדי לאפשר את תגובת השרשרת הכימית לאורך זמן. "אטומי המימן נוטים לנוע במהירות ולאבד אנרגיה", מסביר ד"ר רוזנברג במאמרו. אחד החוקרים בניסוי הסביר כי "החוקרים נמצאים כל הזמן במרוץ בין קצב הקירור ואובדן האנרגיה של המערכת, לבין הקצב שבו אנו יכולים לחמם את החלקיקים".
רגע ההכרזה
"כמעט מאה שנים המדענים מנסים לפתור את חידת השמש ולחקות ביעילות את התהליך שמתרחש בה", מסבירה ד"ר נעמה חריט יערי, פיזיקאית גרעין ממכון דוידסון לחינוך מדעי. "היתוך גרעיני הוא התהליך שבו גרעינים של אטומי מימן מתמזגים לאטומי הליום, מה שגורם לפליטה של אנרגיה בצורת אור וחום. עד כה הצליחה האנושות לחקות את התהליך רק באופן לא מבוקר, בפצצת מימן שבה האנרגיה משתחררת בצורה בלתי נשלטת. חיקוי מבוקר של התהליך יאפשר לספק אנרגיה נקייה לבית אחד למשך מאות שנים מכוס של מים – המשמעות היא פתרון בעיית האנרגיה של האנושות, ומשבר האקלים גם יחד".
ד"ר חריט מוסיפה: "עד כה, כל קבוצות המחקר שעובדות על היתוך גרעיני השקיעו בתהליך כמות אנרגיה גדולה או שווה לכמות האנרגיה שייצרו. המעבדה הפדרלית לורנס ליברמור בקליפורניה הודיעה השבוע כי בניסוי שביצעו מדעניה, הם הצליחה בפעם הראשונה לייצר הרבה יותר אנרגיה ממה שהשקיעו בתהליך. עם זאת, בעבר כבר היו הודעות דומות שהתבררו כהבטחות שווא של היתוך גרעיני מבוקר ויעיל, ובפועל הושגה רק התקדמות מוגבלת בלבד. מעבדת ליברמור הודיעה שהיא בודקת את נתוני הניסויים לפני שתפרסם היום את ההודעה הרשמית".
"היתוך גרעיני הוא הדרך היעילה ביותר להפקת אנרגיה", קובע פרופ' ארז עציון, ראש בית הספר לפיזיקה ואסטרונומיה באוניברסיטת תל אביב. "בכורים הגרעינים הקיימים היום מפיקים אנרגיה מפרוק של אטום כבד לאטומים קלים יותר ומנצלים את שארית אנרגית הקשר לחום. זה תהליך מאד יעיל אבל דורש חומרים רדיואקטיביים וגם התוצרים חלקם חומרים רדיואקטיביים ולכן יש מגמה בעולם לסגור את הכורים הגרעיניים. למשל בגרמניה החודש סוגרים את אחרוני הכורים".
"בהיתוך גרעיני הפעולה היא הפוכה, מאלצים שני גרעיני אטומים קלים להתחבר לאטום כבד יותר (למשל חיבור מימנים להליום). כמות האנרגיה המשתחררת באיחוד היא עצומה והתהליך לא מייצר חומרים רדיואקטיביים. האנרגיה העצומה המופקת בשמש היא תוצאה של היתוך גרעיני", מוסיף פרופ' עציון.
"הדרך עוד ארוכה עד לשלב בו נהפוך את התהליך הזה לתעשייתי, אבל ההצלחה של השבוע מסמנת כי ניתן גם יהיה להגיע לזה בצורה מסחרית בעתיד, גם אם העתיד הוא בטווח של העשורים הקרובים", מסביר פרופ' עציון. "בניגוד להשקעה המרובה בעולם, ישראל עדיין נמצאת מאחור, בשנה האחרונה יש מאמצים לגשר על הפער הן מכיוון הממשלה (משרד האנרגיה) והן באקדמיה ובתעשייה. שילוב כוחות של שלשת הגופים הללו יאפשר למצב את ישראל במקום טוב במרוץ להפקת אנרגיה בהיתוך, מהלך שכשיצליח יפתור את בעיית הפקת האנרגיה בעולם בצורה יעילה בטוחה ונקיה".
למרות החיוכים והסיפוק, הדרך ליעילות אנרגטית ארוכה מאוד. העלות של כל יריית לייזר היא כמיליון דולר והמתקן ב-NIF יכול לעשות זאת רק פעם אחת ביום. על מנת ליצור חשמל סדיר ייאלצו החוקרים לפתח אותו למצב שהוא יורה לייזר כמה פעמים בכל שנייה. במתקן ההצתה הלאומי בליברמור, קליפורניה, נבנתה מערכת לייזר רבת עוצמה – בגודל של מגרש כדורגל – שמצליחה לדחוס קפסולת מימן על ידי 192 קרני לייזר לתקופה של 4 מיליארדיות השנייה.
בישראל מברכים ופועלים להקמת מתקן עצמאי
ד"ר גדעון פרידמן המדען הראשי במשרד האנרגיה מציין כי "זו נקודת ציון חשובה שבה הופקה לראשונה יותר אנרגיה כתוצאה מהיתוך גרעיני מאשר אנרגיית הלייזר שהושקעה ביצירתו. במיוחד ראוי לציין התקדמות מהירה בשנים האחרונות, שהכפילה ב-5 השנים האחרונות פי 50 לערך את האנרגיה שהופקה מההיתוך. עם זאת חשוב להבין כי המרחק לשימוש מסחרי בטכנולוגיה זו עדיין גדול מאוד, ולא ניתן על סמך תוצאות אלה לדעת אם הטכנולוגיה תבשיל לכדי מסחריות בטווח הנראה לעין".
לאור חשיבות הנושא, יחידת המדען הראשי במשרד האנרגיה יזמה כבר לפני כשנתיים הקמה של קונסורציום מחקרי בתחום, בהשקעה של יותר מ-2 מיליון שקלים, והשנה בהקמה של מכון מחקר וירטואלי חדש בישראל.
המכון יעבוד בתקציב של כ-40 מיליון ש"ח ל-5 שנים, מתוכם ישקיע המשרד 30 מיליון ש"ח. לדבריהם, המכון יחזק את המחקר המדעי, כך שישראל תוכל לתרום לקידום טכנולוגיית ההיתוך בעולם. הכוונה להתמקד בהיתוך שאינו דורש השקעות וציוד כפי שיש ב-NIF או ב-ITER שהוא מיזם אירופאי עצום בטכנולוגיה שונה מזו שמשתמשים ב-NIF שצוין לעיל.